CN103273042A - 一种碳化钒钛合金钻井钻头的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钒钛硬质合金钻头制备方法。本发明的钒钛硬质合金钻头制备方法，包括称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉；磨细，真空干燥，加入聚乙二醇溶液，充分搅拌，使其具有一定大小和流动性，入模具预压成型；真空炉预烧结；浇注成型；得到碳化钒钛硬质合金钻头。本发明制备的碳化钒钛合金钻头方法，无需使用传统钻头制备材料中的钨、钴，采用一体式成型工艺，显著地简化了钻头制备过程，有效降低了钻头成本，提升了钻头基体与刃部的粘结强度。

Description

一种碳化钒钛合金钻井钻头的制造方法

技术领域

本发明涉及一种钻井钻头的制造方法，特别涉及一种钒钛硬质合金钻头的制造方法。

背景技术

现有技术中焊接式钨钴硬质合金钻头的制备方法是：先用钢材铸造成型出钻头的主体部分，通过粉末冶金方法制备出钴粘结碳化钨硬质合金；然后通过焊接方法将硬质合金焊接在钻头主体部分的表面，制备得到钨钴硬质合金钻头。该制备方法中需要将钻头的主体部分和硬质合金刃部分别成型，再焊接，工艺较复杂，而且钻头的主体部分和合金刃部为后续焊接连接使得焊接接头成为硬质合金钻头的薄弱环节，更重要的是当合金钻头处于高温作用下容易发生焊接环节失效，钻头破损的意外，严重影响钻头的实际工作能力。

钻头材质所用的具备高硬度的钨钴硬质合金主要成分为碳化钨和钴，由于钨、钴属于战略储备资源，且在地壳中储量相对较少，价格较高。导致石油钻井钻头的成本居高不下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中钻井钻头制备采用焊接所导致的合金刃部在高温工作（作用）下经常发生焊接失效，钻头破损的缺陷，提供一种碳化钒钛硬质合金钻头一体成型的制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案。

一种碳化钒钛硬质合金钻头制备方法，包括以下步骤：

（1） 称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉。使原料中各元素含量为以下重量百分比，碳9.67-10.45%，钛37.42-40.18%，钒39.76-42.69%，余量为铁和不可避免的杂质。

（2） 在隔绝空气的保护环境下，磨细，干燥，过320～500目筛，得粉末粒料，加入1～1.5wt%聚乙二醇溶液,充分搅拌，过45～60目筛，得到颗粒料。

（3） 将颗粒料放入模具中，用350～700MPa的压力压制成型，压制时长10～60s，得坯块。

（4） 将坯块置于真空炉中，于200～350℃下，预烧结30～120分钟，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。

（5） 将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入钢水，使坯块在钢水的热量作用下致密化，钛、钒铁与石墨发生反应形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。

上述制备碳化钒钛硬质合金工艺优选使用了钛、钒铁与石墨进行化学反应形成碳化钒钛颗粒。由于碳化钒钛颗粒是原位合成的，制备得到的硬质合金中所形成的碳化钒钛颗粒更加细小、表面更加干净、与钢粘结相结合强度更高。极大地提高了钻头刃部的性能。

进一步，步骤（1）中称取的原料还包括铜粉，其用量为使铜元素含量占原料总质量的0.10-0.30%。由于铜的熔点只有1083℃，较钢更低，所以在合金成型过程中，铜可以增加碳化钒钛硬质合金中的液相，有利于提高硬质合金的致密化，进而提高了钻头刃部的硬度。铜的用量不宜过多或过少，虽然铜的熔点较低，添加后可以增加液相，提升硬质合金的致密化，但过少的铜则难以达到增加液相的效果，添加后对合金性能影响不明显；过多的铜则降低合金的硬度，影响合金的性能。

进一步，步骤（1）中称取的原料还包括钇铁合金粉。其用量为使钇占原料总质量的0.03-0.15%。所述钇铁合金粉为含钇70wt%，余量为铁的钇铁合金粉。钇可以使碳化钒钛硬质合金的晶粒细化，强化晶界，从而提高钻头刃部的硬度。

进一步，还包括步骤（1）中称取的原料还包括低碳锰铁粉、硅铁粉、低碳铬铁粉、钼铁粉。称取量是使硅、锰、铬、钼含量占原料总重量百分比如下：硅0.20-0.40%，锰0.40-0.70%，铬0.80-1.10%，钼0.15-0.25%。

所述低碳锰铁粉为符合GB/T 3795-2006 规定的低碳锰铁粉。向合金中添加锰铁粉增加合金中锰元素的含量，能够提高合金的热处理性能，使成型后的合金在淬火、回火的处理过程中更容易形成马氏体，进而提高合金的强度。同时锰元素还具有抗氧化效果，即保证合金钻头在制备过程中的防氧化，又能起到使用过程中的增加耐氧能力的效果。

所述低碳铬铁粉为符合GB/T 5683-2008规定的低碳铬铁粉。向合金中添加铬铁粉增加合金中铬元素的含量，能够提高合金的热处理性能，使成型后的合金在淬火、回火的处理过程中更容易形成马氏体，进而提高合金的强度。同时添加锰、铬元素能够达到协调效果，使锰、铬元素在极低的添加量时就能够达到极好的改善合金钻头的效果。

硬质合金中特别添加了硅、锰、铬、钼以增强钢基体的强度。硅、锰元素可以溶解到钢基体中形成固溶体，提高钢基体的强度，同时硅、锰具有较强地脱氧能力，可以去除硬质合金中的氧，生成的二氧化硅和氧化锰具有较高的硬度，能够提高合金材料的性能。铬与铁可以形成固溶体、金属化合物，提高钢的强度，在热处理方面铬可显著地提高钢的淬透性。钼与铁也可以形成固溶体、金属化合物，提高钢的强度。此外钼是强烈形成碳化物的元素。在热处理方面，钼可提高钢的淬透性、红硬性、防止回火脆性等。在钢粘结碳化钒钛硬质合金烧结时，钼会发生形态变化与重新分布，即在碳化钒钛晶粒边缘形成碳化钒钛-碳化钼不平衡固溶体，有助于改善钢粘结相与碳化钒钛之间的润湿性。而且硅、锰、铬、钼同时存在于合金中，能够协同增效的使合金具有更好的热处理性能，使成型好的合金在淬火、回火的处理过程中更容易形成马氏体，进一步提高合金的强度。

步骤（2）中所述磨细过程中优选使用球磨机进行磨细处理。所述隔绝空气的保护环境是惰性气体保护，真空保护或者添加无水乙醇进行隔绝气体进行保护，优选使用无水乙醇浸没粉料进行隔绝空气保护。在磨细完成后将粉末粒料干燥的过程是自然晾干或者真空干燥。优选真空干燥，干燥温度100～200℃，高于250℃以后可能发生副反应影响合金最终成型的性能。所述聚乙二醇的分子量为1450～6000。聚乙二醇溶液中溶剂为易挥发的有机溶剂，如甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、正己烷、石油醚等。优选无水乙醇。浓度1wt%～40wt%，为具有适宜流动性便于使用的浓度。加入聚乙二醇溶液使磨细后的粉料具有一定的大小差和流动性，使其在步骤（3）的压制过程中更好控制，成型效果更好，特别能够充分流动充满死角，有效提高压制过程中坯块的成型密度的均一性，避免因为粒料流动性不佳导致的部分结构不紧凑影响后续烧结的效果。

所述320～500目筛均为泰勒筛。权衡磨细粒料的粒径和成分消耗，选用320～500目筛，既兼顾粒料在后续的烧制成型的效果，又控制磨细所需消耗的时间和费用，同时还能避免因为过长时间的磨细处理导致的不良事故的发生，如粉料氧化，操作困难等。

进一步，步骤（2）中磨细过程使用球磨机处理，球料重量比例6:1～20:1，球磨时间48～120小时，球磨机转速150～300r/min。球磨过程中球料比例，球磨时间，转速对原料的磨细效果有极大的影响。如磨细过程中球料比例过低，时间过短，或者转速慢强度低，则各材料间的磨细效果不均一，最终导致过筛粉料中的各原料的比例变化，使后续成型的坯块中各种元素的含量与设计不同，严重影响合金的各项强度和性能，甚至无法达到设计的效果。

步骤（3）中压制选用350～700MPa的压力，压制时长10～60s。兼顾了磨细后的粒料的粒径，流动性，在此压力下压制既保证压制成型后的坯块具有足够的强度，能够在浇入钢水的过程中保持良好的结构，又不会因为压制过强，阻滞钢水热量传递，影响坯块的成型效果。最优选择400～500MPa的压力进行压制。

步骤（4）中预烧结过程的温度不超过350℃，温度过高则坯块中的连通孔隙不断消失，而形成隔离的闭孔，阻碍钢水热量的传递，难以实现坯块烧结的致密化。温度过低则难以将辅助预成型中所使用的聚乙二醇溶液挥发完全，影响浇入钢水最终成型的合金钻头的性能。同时步骤（4）中升温速度优选为3～10℃/min，升温速度过快聚乙二醇溶液挥发脱出的效果不佳，并有可能出现影响坯块结构的空穴，导致最终浇入钢水后成型的合金钻头的硬度、强度及耐剪切力的强度。升温速度过慢则坯块长时间处于预烧结的温度下，副反应发生的可能性增加，甚至出现聚乙二醇本身的碳化反应，形成有机的碳化杂质，且无法从坯块中除去，最终严重影响浇注成型合金钻头的性能，出现不合格品。

步骤（5）中钢水在浇注前，加入适量的锰铁、硅铁进行脱氧处理，脱氧过程保持2～5分钟，减少钢中氧含量能够显著改善钢基体的各项性能。优选使用35CrMo钢，35CrMo钢中含有微量硅、锰、铬、钼与合金中的参杂成分相同，比例相近，能够增强钢基体与合金材料之间的一体性，防止因为基体材料与合金材料的不同，形成界面层结构。采用35CrMo钢成型的钻井钻头基体与合金刃部成型为一体式，粘接强度高，不会因为钻进过程中与硬质岩层碰撞而出现断刀，坏刀。

进一步，步骤（5）中钢水浇注温度为1570～1580℃。采用上述制备工艺，制备合金钻头一体式成型。钢水的温度是合金坯块烧结致密化，钛、钒铁与石墨反应生成碳化钒钛的关键所在，使用1570～1580℃的钢水能够很好地完成坯块的致密化，能够更好地改善钛、钒铁和石墨之间的反应速度以及优化碳化钒钛合金的晶相结构。

进一步，上述碳化钒钛硬质合金制备工艺制备的合金硬度为86～95HRA。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明制备的碳化钒钛合金钻头的工艺无需使用传统钻头制备材料——钨、钴，减少了战略储备资源的消耗，降低了钻头的制造成本。本发明提供的钻头制备方法，采用一体式成型工艺，显著地简化了钻头制备过程，有效降低了钻头成本。碳化钒钛硬质合金中的碳化钒钛是通过钛、钒铁与石墨发生化学反应形成的，所形成的碳化钒钛颗粒细小、表面干净、与钢粘结相结合强度高。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉。使总的粉末中各元素含量为以下重量百分比的成分，碳10%，钛39%，钒40%，余量为铁和不可避免的杂质。

在隔绝空气的保护环境下，磨细（球料重量比例6:1，球磨时间60小时，球磨机转速180r/min），过320目筛，真空干燥，加入聚乙二醇溶液（溶剂为无水乙醇）,充分搅拌，使其具有一定大小和流动性，过45目筛，得到粉末粒料。将粉末粒料放入模具中，用700MPa的压力压制成型，压制时长10s，得坯块。将坯块在真空炉中，于350℃下，预烧结30分钟，升温速度5℃/min，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入45号钢钢水（浇注温度1520-1530℃），使坯块在钢水的热量作用下致密化，钛、钒铁和石墨作用形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。钻头刃部的硬度89HRA。

实施例2

称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉、铜粉。使总的粉末中各元素含量为以下重量百分比的成分，碳10%，钛39%，钒40%，铜0.2%，余量为铁和不可避免的杂质。在隔绝空气的保护环境下，磨细（球料重量比例6:1，球磨时间60小时，球磨机转速180r/min），过500目筛，真空干燥，加入聚乙二醇溶液（溶剂为乙醚）,充分搅拌，使其具有一定大小和流动性，过60目筛，得到粉末粒料。将粉末粒料放入模具中，用350MPa的压力压制成型，压制时长60s，得坯块。将坯块在真空炉中，于250℃下，预烧结120分钟，升温速度6℃/min，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入45号钢钢水（浇注温度1520-1530℃），使坯块在钢水的热量作用下致密化，钛、钒铁和石墨作用形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。钻头刃部的硬度90.4HRA。

对比实施例1,2，由于铜的熔点比钢低，因此将钢水浇注到铸型中，钢粘结碳化钒钛硬质合金利用热量完成致密化时，铜的加入可以增加碳化钒钛硬质合金中的液相，有利于提高硬质合金的致密化，所以提高了钻头刃部的硬度。

实施例3

称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉、低碳锰铁粉、硅铁粉、低碳铬铁粉、钼铁粉、铜粉、钇铁合金粉。所述钇铁合金粉含钇70wt%,余量为铁。使总的粉末中各元素含量为以下重量百分比的成分，碳10%，钛39%，钒40%，硅0.3%，锰0.5%，铬0.9%，钼0.2%，铜0.2%，钇0.15%，余量为铁和不可避免的杂质。

在隔绝空气的保护环境下，磨细，过400目筛，真空干燥，加入聚乙二醇溶液（溶剂为无水乙醇）,充分搅拌，使其具有一定大小和流动性，过45目筛，得到粉末粒料。将粉末粒料放入模具中，用500 MPa的压力压制成型，压制时长20s，得坯块。将坯块在真空炉中，于250℃下，，预烧结60分钟，升温速度4℃/min，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa。将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入45号钢钢水（浇注温度1520-1530℃），使坯块在钢水的热量作用下致密化，钛、钒铁和石墨作用形成碳化钒钛。最终得到碳化钒钛硬质合金钻头。钻头刃部的硬度92.6HRA。

对比实施例2,3，由于钇的加入，可以细化晶粒，强化晶界，因此钻头刃部的硬度提高了。

实施例4

实施过程与实施例3相同，钢水使用35CrMo钢制备，制备得到的钻井钻头刃部的硬度93.1HRA。钻头刃部与基体粘结稳定性更好。

对比实施例3,4，由于35CrMo钢水的浇注温度高于45号钢，因此钻井钻头刃部的硬度提高了。同时35CrMo钢的化学成分与硬质合金的成分基本相同，因此钻头刃部与基体粘结稳定性更好。

实施例5

实施过程与实施例2相同，磨细过程：球料比例10:1，球磨时间60小时，球磨机转速180r/min。制备得到的钻井钻头硬度91HRA。钻头刃部与基体粘结稳定性更好。

实施例6

实施过程与实施例2相同，磨细过程：球料比例20:1，球磨时间80小时，球磨机转速200r/min。制备得到的钻井钻头硬度91.8HRA。钻头刃部与基体粘结稳定性更好。

对比实施例2,5,6，由于球料比例增大，球磨后得到更加细小的粉料，粉末粒度越细，表面积越大，表面能越高，烧结过程越易进行，因此钻井钻头刃部的硬度提高了，钻头刃部与基体粘结稳定性更好。

对比例1

实施过程与实施例3相同，预烧结过程中，升温速度15℃/min。预烧结完成后坯块开裂，制备失败。

对比例2

实施过程与实施例2相同，钢水的浇注温度1480～1490℃。制备得到的钻井钻头硬度88.2HRA。因为钢水浇注温度较低，提供的热量较少，作为钻头刃部的硬质合金中有孔隙存在，密度较低，钻头硬度较低。

对比例3

实施过程与实施例3相同，钢水的浇注温度1590～1600℃。制备得到的钻井钻头硬度91.5HRA。因为钢水浇注温度过高，提供的热量较多，作为钻头刃部的硬质合金中的碳化钒钛颗粒以及粘结相钢的晶粒比较粗大，钻头硬度降低。此外因为钢水浇注温度过高，钢水氧化严重，脱氧处理不完全会降低钻头刃部与基体的粘结强度。 

Claims (10)

1.一种碳化钒钛硬质合金钻头制备方法，包括以下步骤：

（1） 称取钛粉、钒铁粉、石墨、还原铁粉；使原料中各元素含量为以下重量百分比，碳9.67-10.45%，钛37.42-40.18%，钒39.76-42.69%，余量为铁和不可避免的杂质；

（2） 在隔绝空气的保护环境下，磨细，干燥，过320～500目筛，得粉末粒料，加入1～1.5wt%聚乙二醇溶液,充分搅拌，过45～60目筛，得到颗粒料；

（3） 将颗粒料放入模具中，用350～700MPa的压力压制成型，压制时长10～60s，得坯块；

（4） 将坯块置于真空炉中，于200～350℃下，预烧结30～120分钟，真空炉内部绝对气压小于等于3Pa；

（5） 将经步骤（4）预烧结好的坯块放入铸型中，浇入钢水，使坯块在钢水的热量作用下以及钒铁、钛与石墨之间发生化学反应生成碳化钒钛放出的热量作用下致密化，得到碳化钒钛硬质合金钻头。

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中隔绝空气的保护环境是惰性气体保护，真空保护或者添加无水乙醇进行隔绝气体进行保护。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，使用无水乙醇浸没粉料进行隔绝空气保护。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述干燥是自然晾干或者真空干燥。

5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述干燥是真空干燥，干燥温度100～200℃。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇的分子量为1450～6000。

7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述320～500目筛均为泰勒筛。

8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（2）中磨细过程使用球磨机处理，球料比例6:1～20:1，球磨时间48～120小时，球磨机转速150～300r/min。

9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤（5）中钢水在浇注前，加入适量的锰铁、硅铁进行脱氧处理，脱氧过程保持2～5分钟。

10.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述制备工艺制备的硬质合金硬度为86～95HRA。